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전문가 컬럼(인터뷰)

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[Company Power](주)씨아이제이 백종태 대표

  • 작성자나노인
  • 등록일2015.05.14
  • 조회수880

 (주)씨아이제이 백 종 태 대표 사진


CNT·그래핀 적용한

유연 전극소재 개발

 

유연성은 물론 저항변화 혁신적으로 낮춰

두루마리 디스플레이, 손목에 차는 스마트폰, 인체에 착용하여 신체정보를 읽어내는 웨어러블 헬스케어 기기 등은 접거나 굽힐 수 있는, 유연성을 최고의 덕목으로 친다. 그런데 여기서 유연성 못지않게 중요한 기술 하나가 더 있다. 접거나 굽히는 기계적 변형에서도 신호전달이 양호해야 한다는 기술의 문제다. 접어도 영상이 나타나고 굽혀도 인체의 정보를 읽어내야 하는 것이다. 이는 전극의 저항변화를 최소화 시켜야 가능한 일이다. (주)씨아이제이가 CNT나 그래핀을 적용해 기계적 변형에도 전기저항변화가 거의 없거나 미미한 수준의 유연전극소재를 개발했다.

 

(주)씨아이제이 백 종 태 대표

 

 

휘어지는 디스플레이 같은 플렉시블 전자제품이나 신체에 착용하는 웨어러블 전자기기가 전자산업 상품개발의 트렌드로 자리 잡는 가운데 휘거나 굽히고, 접는 유연소재 개발의 필요성도 커지고 있다. 그 중에서도 신호나 정보를 전달하는 전극의 유연성은 크게 강조된다.
전자기기에서의 전극이란 전기나 정보를 실어 나르는 기능을 하는데, 중간에 정보의 손실, 또는 왜곡이 없어야 할 것이 핵심이다. 하지만 유연성이 필요한 전자제품을 접거나 굽혀 신장시키면 전극의 단면적이 줄고 전기저항이 커진다. 저항이 커지면 신호전달체계에서 신호의 문제가 생긴다. 따라서 전극의 단면적을 줄이지 못하는 이유가 되고, 디바이스의 소형화는 성취하지 못한다. 전극 기술을 집중하여 볼 수 있는 반도체에서는 어떻게 파인 라인을 형성시키느냐, 즉 전선을 얼마만큼 미세하게 하느냐가 관건이어서 메탈라인의 서브미크론 시대를 연지도 꽤나 됐다. 
대개 휘어지는 디스플레이나 손목에 차는 스마트폰, 웨어러블 헬스케어 기기를 보면서 유연성에 주목한다. 이들 제품에서 유연성이 큰 덕목인 것은 사실이다. 하지만 정작 정보를 읽고 신호를 전송하는 전극의 신호체계에서는 유연성 못지않게 전기저항을 줄여 정보 손실을 막아야 하는 기술도 매우 중요하다. 플렉시블 전자제품이나 웨어러블 전자기기를 제조하기 위해서는 전극소재의 유연성과 함께 저항변화를 최소화해야 한다는 결론에 도달한다.

 

유연성과 저항의 문제를 모두 해결


유연하면서도 저항 변화율을 크게 낮춘 혁신적 탄소 전극소재를 개발한 씨아이제이 백종태 대표는 “2012년 한국과학기술기획평가원이 세계 10대 기술트렌드 발표했는데, 모든 전자제품은 접고 굽히는 유연한 제품이 될 것이라는 내용이었다”며, “이 트렌드 발표 이후 전극이 극복할 문제가 하나 생겼는데, 굽히거나 당기면, 즉 신장시키게 되면 전극의 단면적이 줄어들 수밖에 없고 전기저항이 커져 신호전달에 어려움이 발생하는 치명적 문제가 대두했다”고 설명했다.
백종태 대표는 연세대 박형호 교수와 함께 유연하면서도 전기저항 변화를 최소화 할 수 있는 전극소재 개발에 매달렸다. 백 대표는 저항의 변화를 줄일 수 있는 방법이 기술적으로 가장 난해하지만 매래 중요 먹거리가 될 기술이라고 설명한다. 게다가 최근에는 이 기술에 많은 관심들을 갖지만, 백종태 대표와 박형호 교수가 기술 컨셉을 세우던 5년 전에는 참고자료도 변변하지 않았다.
“미국 D사가 한국 업체와 계약을 맺고 전극소재를 공급하고 있어 이를 조금 얻어 실험에 쓰다가 금방 바닥이 나 미국에 연락해 구입하려 했는데, 팔 수 없다는 회신이 왔다. 기업이 상품을 안 파는 경우도 있었다.”
백 대표가 소재의 중요성을 절감했던 에피소드인데, 이 일로 이 기업 소재를 능가하는 전극소재 개발 계기가 되기도 했다. 이 기업의 전극은 페이스트 형태였고 유연성이 매우 좋았다. 백 대표는 유연성을 더 좋게 해볼까, 하다가 이는 추격만 할 것 같아 추월하고 선도까지 할 수 있는 퍼스트무버가 되는 길을 선택했다. 전극의 저항변화를 낮추는 기술이었다.
개념특허를 냈다. 여기에 나노기술을 도입했다. 유연성이 좋은 전극은 나노 카본, 또는 나노 금속입자를 신축 기지재료에 첨가한 후 페이스트나 잉크 형태로 가공하여 전극을 형성하는 물질을 만든다. 해외 사례를 보면 대부분 폴리머에 나노입자를 첨가하여 전극물질을 만든다. 이 전극은 신장시키면 고무줄처럼 잘 늘어나지만, 단면적이 줄어든 만큼 저항이 커지는 심각한 문제가 생긴다. 좀 더 신장시키면 전극은 단절까지 된다. 주 기능인 신호전달을 못하게 된다.
씨아이제이가 개발한 전극소재는 CNT나 그래핀을 로드(Rod) 형상으로 만들어 나노 카본 입자 소재에 집어넣는 것이다. “개념은 매우 단순하다. 이 기술은 디바이스를 신장시키면 메트릭스와 전극이 늘어나면서 로드들이 움직인다. 로드 길이가 짧으면 큰 각도로, 길이가 길면 조금 움직이며 서로 만난다. 즉 기계적 변형이 크던 작던 로드들의 접촉점이 생기면서 단절을 막는다. 더구나 CNT나 그래핀은 전기저항이 워낙 작고 전도성이 탁월하여 로드를 통한 신호전달이 바람직하다.”

 

유연성과 저항의 문제를 모두 해결 사진


 

웨어러블 기기, 로봇에 적용할 전극소재 개발


개념특허를 낸지 1년만에 본 특허를 내고 등록이 됐다. 나노입자와 로드를 분산시키는 과정에서 어려움을 겪었지만, 분산이 잘되는 조건도 찾아 적용했다. 결과가 좋아 정부지원도 받았다. 특히 D사 전극이 유연성은 좋은 반면 전기저항이 커지는 문제를 국내에서 해결했다. 이들 전극을 30% 신장시키면 전기저항이 거의 5배로 커지는데, 씨아이제이 전극은 전기저항이 이들의 1/25만 증가하는 수준이다.
아직 대량생산은 못했지만 어느 정도 양을 갖고 양산 실험을 했다. 양산은 최적의 양산조건이 필요하지만 재현성도 문제여서 이를 고려해 개발한 결과 재현성도 뛰어났다. 백 대표는 “소재의 상용 관점에서 재현성이나 접착성 등 많은 사항을 고려하고 나름대로 짚을 수 있는 것들 모두 짚었다”고 말한다. 가격의 문제에 있어서도 “우리는 기업이니까 생산성과 사업성을 고려해야 한다. 소재가 비싸면 안된다. 유연 특성만 있는 소재 대비 원가는 10% 정도만 더 상승되면 되는 수준”이라고 소개했다.
응용 분야는 단기적으로 웨어러블 기기, 장기적으로는 로봇 분야 적용을 모색하고 있다. 특히 웨어러블 헬스케어 기기는 신체 신호를 읽고 전송하는데 있어, 저항변화의 크고 작음이 매우 중요하다. 백 대표는 “심전도나 근전도를 측정하면서 움직이면 안된다는 식의 주의사항이 까다로운데, 움직이면 시그널이 영향을 받기 때문이다. 핵심은 움직이면 저항변화가 일어나 노이즈로 인해 올바른 정보를 얻을 수 없다”고 설명한다. 웨어러블 디바이스가 유연해서만 안 되는 이유인데, 이제 씨아이제이가 개발한 전극으로 움직이더라도 측정 가능한 웨어러블 헬스케어 기기가 등장할 날이 멀지 않았다.

 

 

취재·글 | 창조적소수

 

 

 

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